性狀的遺傳力對標(biāo)記輔助導(dǎo)入效率的影響

白俊艷++楊又兵++黃勇++祁艷霞++李廣錄

摘要：分析性狀的遺傳力對標(biāo)記輔助導(dǎo)入效率的影響，期望為實(shí)踐中標(biāo)記輔助導(dǎo)入提供參考。對于標(biāo)記輔助導(dǎo)入1個QTL過程，采用兩側(cè)標(biāo)記選擇進(jìn)行前景選擇，MBLUP為背景選擇，對于前景性狀和2個背景性狀給出3種遺傳力水平，即0.20、0.10、0.15（低）；0.50、0.30、0.40（中）；0.80、0.50、0.70（高）。結(jié)果表明，導(dǎo)入QTL頻率和前景性狀遺傳進(jìn)展在遺傳力為低、中、高之間差異很小，在橫交階段，中遺傳力和高遺傳力組的導(dǎo)入QTL頻率和前景性狀遺傳進(jìn)展略高于低遺傳力組。

關(guān)鍵詞：標(biāo)記輔助導(dǎo)入；遺傳力；MBLUP；前景性狀；背景性狀

中圖分類號： Q756文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）02-0035-03

收稿日期：2015-02-11

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：31201777）。

作者簡介：白俊艷（1975—），女，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，副教授，主要從事動物分子數(shù)量遺傳學(xué)方面的研究。E-mail：junyanbai@163.com。

在高密度的遺傳圖譜和QTL檢測及其定位基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行標(biāo)記輔助導(dǎo)入（marker assisted introgression，MAI），即通過回交將1個品種（供體）的某個或某些優(yōu)良基因利用標(biāo)記信息輔助導(dǎo)入到另1個品種（受體），同時盡可能保持受體的遺傳背景不發(fā)生改變，使得該品種既獲得了供體的優(yōu)良基因，又保持了原有的所有優(yōu)良基因。Hanset等將氟烷陰性等位基因利用標(biāo)記信息導(dǎo)入到皮特蘭豬中，采用與RYR座位緊密連鎖的標(biāo)記進(jìn)行前景選擇，將抗應(yīng)激敏感的基因成功地導(dǎo)入到皮特蘭豬中，經(jīng)過3次回交獲得氟烷陰性的皮特蘭品系[1]。Yancovich等將1個商業(yè)蛋雞系中的裸頸基因?qū)氲?個商業(yè)肉雞系中，利用基因組進(jìn)行背景選擇，以加快肉雞系的生長速度和體質(zhì)量恢復(fù)[2]。Gootwine等借助與FecB座位緊密連鎖的2個微衛(wèi)星標(biāo)記OarAE101和BM1329對FecB進(jìn)行前景選擇，將Booroola羊中的FecB基因利用標(biāo)記信息輔助導(dǎo)入到Awassi乳用綿羊中[3]。由于標(biāo)記輔助導(dǎo)入中的標(biāo)記基因型分析費(fèi)用太貴且育種過程復(fù)雜，因此大多數(shù)研究者運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬標(biāo)記輔助導(dǎo)入的育種過程，進(jìn)而摸索和探討標(biāo)記輔助導(dǎo)入的影響因素及規(guī)律[4-20]。本研究分析了性狀的不同遺傳力對標(biāo)記輔助導(dǎo)入效率的影響，以期為實(shí)踐中的標(biāo)記輔助導(dǎo)入提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

標(biāo)記輔助導(dǎo)入一個QTL的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，假設(shè)基礎(chǔ)群的供體群和受體群所有個體之間無親緣關(guān)系，在所有世代中要避免同胞交配，后代性別比例按1 ∶[KG-*3]1的概率確定，群體規(guī)模為 1 000，所有世代間不重疊。假設(shè)整個基因組分布在10條染色體上，所有標(biāo)記均勻地分布在每條染色體上，每個標(biāo)記座位有2個等位基因，假設(shè)需要導(dǎo)入的QTL記作QTL，背景QTL記作QTL1和QTL2。對于前景性狀和2個背景性狀這3個性狀，本研究考慮以下3種遺傳力水平，即0.20、0.10、0.15（低）；0.50、0.30、0.40（中）；0.80、0.50、0.70（高）（圖1）。

[FK（W22][TPBJY1.tif][FK）]

1.2性狀的表型值

（1）基礎(chǔ)群性狀的表型值y（yi=qi+ui+ei），其中yi為個體i的表型值，qi為個體i的QTL基因型值，ui為個體i的多基因效應(yīng)值，對于2個親本群體，ui由正態(tài)分布N（0，σu2）隨機(jī)產(chǎn)生，ei為個體i的隨機(jī)環(huán)境離差，在所有世代中，ei均由正態(tài)分布N（0，σe2）隨機(jī)產(chǎn)生。（2）非基礎(chǔ)群的個體性狀表型值的產(chǎn)生方法與基礎(chǔ)群相同，不同的是多基因效應(yīng)值的計(jì)算（ui=0.5us+0.5ud+mi），其中ui為個體i的多基因效應(yīng)值，us和ud分別為個體i的父親和母親的多基因值，mi為個體i的孟德爾抽樣離差（Mendelian sampling），服從于正態(tài)分布N{0，（σu2/2）[1-（Fs+Fd）/2]}，其中Fs和Fd分別為父親和母親的近交系數(shù)。

1.3選擇方法

1.3.1前景選擇假設(shè)導(dǎo)入QTL本身未知，同時利用與導(dǎo)入QTL相鄰最近的兩側(cè)標(biāo)記進(jìn)行間接選擇，選擇這2個標(biāo)記均為雜合型的個體，稱為雙側(cè)標(biāo)記選擇。

1.3.2背景選擇標(biāo)記輔助BLUP選擇（MBLUP），首先利用以下MBLUP對2個背景性狀進(jìn)行育種值估計(jì)，然后將育種值合并為指數(shù)，根據(jù)指數(shù)的高低來選種。根據(jù)Femando 和 Grossman提出的混合模型，假設(shè)隨機(jī)QTL效應(yīng)和隨機(jī)多基因效應(yīng)為性狀的遺傳基礎(chǔ)，則個體表型值可以用以下線性模型來描述，以矩陣形式表示為y=Zu+Wv+e，其中y為性狀觀察值向量，u為隨機(jī)剩余多基因效應(yīng)值向量，其均值為0，方差協(xié)方矩陣為Aσu2，A為分子親緣相關(guān)矩陣，v為隨機(jī)QTL等位基因效應(yīng)向量，其均值為0，方差協(xié)方矩陣為Gσv2，G為QTL配子相關(guān)矩陣，e為殘差向量，其均值為0，方差協(xié)方矩陣為Iσe2，I為單位向量，W和Z分別為v和u的結(jié)構(gòu)矩陣。

2結(jié)果與分析

2.1導(dǎo)入QTL頻率和前景性狀遺傳進(jìn)展

導(dǎo)入QTL頻率在不同性狀遺傳力之間差異很小。在回交階段，導(dǎo)入QTL頻率在不同性狀遺傳力之間差別很小，經(jīng)過回交5個世代，前景性狀遺傳力為低、中和高的導(dǎo)入QTL頻率分別為0.233 1、0.244 8、0.244 0。到了橫交階段，經(jīng)過橫交2個世代，前景性狀遺傳力為低、中和高下的導(dǎo)入QTL頻率分別為0.918 2、0.962 8、0.960 6。經(jīng)過橫交5個世代，前景性狀遺傳力為低、中和高的導(dǎo)入QTL頻率分別增加到 0.944 6、0.974 8、0.972 7?？梢姡誀钸z傳力低的導(dǎo)入QTL頻率為較小，其他性狀遺傳力的導(dǎo)入QTL頻率基本一致，并且都高于前者。前景性狀遺傳進(jìn)展在不同性狀遺傳力之間差異很小。經(jīng)過橫交2個世代，這3種性狀遺傳力的前景性狀的平均育種值分別增加到3.727 9、4.013 3、4.018 6。由于前景選擇都利用兩側(cè)標(biāo)記，因此前景性狀遺傳進(jìn)展在前景性狀遺傳力為低、中、高之間差異不大（圖1）。

2.2背景QTL頻率

背景QTL頻率在不同性狀遺傳力之間略有差異。在回交階段，背景QTL頻率隨著背景性狀遺傳力為低、中和高而呈現(xiàn)遞增趨勢，尤其是經(jīng)過回交2個世代，背景性狀遺傳力為低、中和高的第2個背景QTL頻率分別為0.907 2、0.922 0、0.947 1，并且經(jīng)過回交4個世代，第2個背景QTL頻率都已經(jīng)達(dá)到1，而到了橫交階段，背景QTL頻率在不同性狀遺傳力之間沒有差異，它們的頻率均為1。第1個背景QTL頻率在不同性狀遺傳力之間的變化趨勢與第2個背景QTL頻率的變化趨勢基本一致（圖2）。

2.3遺傳背景的恢復(fù)

受體遺傳背景的恢復(fù)在不同的性狀遺傳力之間略有差異。在回交階段，遺傳背景的恢復(fù)隨著回交世代的增加而呈現(xiàn)出迅速遞增趨勢，經(jīng)過回交5個世代，背景性狀遺傳力為低、中、高的遺傳背景的恢復(fù)度分別為97.67%、98%、98.19%。經(jīng)過橫交5個世代，背景性狀遺傳力為低、中和高下的遺傳背景的恢復(fù)度分別為96.31%、97.23%、97.34%?？梢姳尘靶誀顬橹?、高遺傳力時，兩者遺傳背景的恢復(fù)度基本相同，都略高于低遺傳力（圖3）。

2.4背景性狀遺傳進(jìn)展

背景性狀遺傳進(jìn)展在不同性狀遺傳力之間的差異很大，2個背景性狀遺傳進(jìn)展均呈現(xiàn)出隨背景性狀遺傳力為低、中、高的增加而呈現(xiàn)出遞增趨勢。在回交階段，經(jīng)過回交5個世代，背景性狀遺傳力為低、中、高下的第2個背景性狀的平均育種值分別為3.721 7、4.625 2、5.354 2。到了橫交階段，經(jīng)過橫交5個世代，這3種性狀遺傳力的第2個背景性狀的平均育種值分別增加到6.234 5、9.549 2、13.181 3。雖然利用MBLUP 對低遺傳力性狀進(jìn)行選擇獲得的遺傳進(jìn)展小一些，但是相對常規(guī)選擇方法的效率卻會更高（Ruane and Colleau，1996），因此，對于低遺傳力的背景性狀，MBLUP仍是比較理想的背景選擇方法（圖4）。

3結(jié)論與討論

[CM（24]由于分子標(biāo)記不易受性別、年齡等影響，能夠在早期獲[CM）]

[FK（W21][TPBJY4.tif][FK）]

得，因此利用標(biāo)記進(jìn)行前景選擇是一個比較好的策略。Visscher等模擬研究了在回交育種中的標(biāo)記輔助導(dǎo)入，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過回交3個世代，兩側(cè)標(biāo)記選擇的個體攜帶了目標(biāo)等位基因1個拷貝的比例為49%[21]。本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致。兩側(cè)標(biāo)記選擇的正確率要比單側(cè)標(biāo)記高，由于兩側(cè)標(biāo)記發(fā)生雙交換的概率低，因此雙交換配子的比例很小，絕大部分為親本型配子，所以利用兩側(cè)標(biāo)記對目標(biāo)基因進(jìn)行跟蹤選擇，可以大大提高選擇的正確率，不易使目標(biāo)基因丟失。此外，Hospital等研究指出目標(biāo)控制率與座位之間的重組率和回交世代數(shù)有直接關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)隨回交世代數(shù)的增加其目標(biāo)控制率呈下降趨勢，有兩側(cè)標(biāo)記比單側(cè)標(biāo)記的目標(biāo)控制率高[22]，由此推導(dǎo)出導(dǎo)入QTL的條件概率公式如下，當(dāng)QTL的真實(shí)位置是x已知時，它位于xk和xk+12個標(biāo)記之間，回交t世代的后代在所有標(biāo)記上含有導(dǎo)入QTL的條件概率可表示為pQ|W[t]=f（x）=[SX（][1-r（xk，x）]t[1-r（x，xk+1）]t[1-r（xk，xk+1）]t[SX）]。而在實(shí)踐中，QTL的位置往往是未知的，當(dāng)QTL的真實(shí)位置未知時，則需要估計(jì)QTL的位置，此時導(dǎo)入QTL的條件概率必須綜合在所有QTL的假定位置上才可以計(jì)算，此時含有導(dǎo)入QTL的條件概率可表示為pQ|W[t]=∫L0f[x]g[x]dx，其中g(shù)[x]是QTL期望位置的概率密度，L是染色體總長度。

隨著基因組研究的飛速發(fā)展，家畜中具有重要經(jīng)濟(jì)意義的QTL或主基因被人們相繼發(fā)現(xiàn)和定位，因此，在標(biāo)記輔助導(dǎo)入過程中對目標(biāo)基因的識別將不成問題。近年來，許多研究者在如何恢復(fù)遺傳背景方面做了大量研究，以期望能找到恢復(fù)遺傳背景的最有效途徑。結(jié)合前人的研究成果，本研究將MBLUP方法引入到標(biāo)記輔助導(dǎo)入的背景選擇中。利用MBLUP雖然不能使遺傳背景迅速全部恢復(fù)，但是能使受體的特定背景性狀迅速恢復(fù)，同時使這些背景性狀在導(dǎo)入過程中獲得最大的遺傳進(jìn)展。在實(shí)際育種中，人們關(guān)心的主要是那些有重要經(jīng)濟(jì)價值的性狀，在進(jìn)行標(biāo)記輔助導(dǎo)入時，并不一定嚴(yán)格要求受體的遺傳背景完全恢復(fù)，但要求某些特定的背景性狀一定要得到恢復(fù)，這時利用與影響這些性狀的QTL連鎖的標(biāo)記（而不是覆蓋整個基因組的全部標(biāo)記）和性狀的表型信息進(jìn)行標(biāo)記輔助BLUP（MBLUP）背景選擇就可以達(dá)到目的，而這種選擇的成本要比利用整個基因組的全部標(biāo)記進(jìn)行背景選擇低得多，因而利用MBLUP進(jìn)行背景選擇可能是一個更實(shí)際的選擇方案。

人們對性狀遺傳力的大小對標(biāo)記輔助導(dǎo)入影響的研究很少，僅見Visscher 等在模擬研究中考慮了性狀遺傳力為0.1和0.4對標(biāo)記輔助導(dǎo)入的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過回交3個世代，利用表型進(jìn)行背景選擇，0.1和0.4性狀遺傳力的平均遺傳值分別為76.9和85.1，而利用標(biāo)記進(jìn)行背景選擇的平均遺傳值分別為94.8和94.7，可見高性狀遺傳力在表型選擇里能獲得更高的育種值，而在標(biāo)記選擇里性狀遺傳力的大小對育種值基本無影響。本研究考慮了3種不同性狀遺傳力對標(biāo)記輔助導(dǎo)入的影響，研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果部分一致，由于前景選擇是利用標(biāo)記進(jìn)行選擇的，因此，導(dǎo)入QTL頻率和前景性狀遺傳進(jìn)展在不同性狀遺傳力之間基本無差異，而背景選擇是利用MBLUP選擇，因此，背景QTL頻率和背景性狀遺傳進(jìn)展卻隨性狀遺傳力的增大而增大。

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